一種tc18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及材料領域，具體是一種可有效預測鈦合金斷裂韌性的方法。
【背景技術】
[0002] 自二十世紀四十年代開始，由于客機的頻繁失事，航空器結構件由單純靜強度設 計概念轉變到安全一壽命設計概念、破損一安全設計概念，直至現(xiàn)代的損傷容限設計準則。 在損傷容限設計準則中，斷裂韌性是一項重要指標，它表征了材料阻止裂紋擴展的能力，因 此保證航空結構件的斷裂韌性對其安全飛行至關重要。由于斷裂韌性的重要性，國內(nèi)外學 者一直在嘗試建立材料的斷裂韌性預測方法。國外在斷裂韌性的預測方面已經(jīng)做了很多工 作。1964年，Krafft在期刊Applied Materials and Research上發(fā)表了一篇名為"Crack Toughness and Strain Hardening of Steels"文章，開創(chuàng)性地建立了低強度、中強度和高 強度鋼的平面應變斷裂韌性與應變硬化指數(shù)的關系。Gokhale等人在期刊Metallurgical and Materials Transactions A上發(fā)表了一篇名為"Relationship Between Fracture Toughness , Fracture Path , and Microstructure of 7050Aluminum Alloy:Part II .Multiple Micromechanisms-based Fracture Toughness Model" 的文章，基于微觀斷 裂機制建立了 7050錯合金斷裂韌性與斷口形貌的定量關系。Baron在期刊Strength of Materials上發(fā)表了 一篇名為 "Relationship between fracture toughness and deformation ahead of the crack tip"的文章，建立了15Kh2NMFA鋼斷口延伸帶尺寸同斷 裂韌性的定量關系，預測結果較好。需要注意的是，由于不同合金斷裂機制不同，相同合金 不同組織的斷裂機制也有差異，因此上述預測模型應用范圍有限。
[0003] 鈦及鈦合金因具有密度低、比強度高、耐蝕性好等優(yōu)良性能而被廣泛應用于航空 等領域。眾所周知，鈦合金斷裂韌性對顯微組織特別敏感，然而，國內(nèi)外對鈦合金不同顯微 組織特征下斷裂韌性變化規(guī)律的描述僅僅停留在定性范疇，并沒有建立起適用于鈦合金不 同組織的斷裂韌性定量預測方法及相應規(guī)范。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術中尚無適用于鈦合金不同組織的斷裂韌性定量預測方法及相應 規(guī)范的不足，本發(fā)明提出了一種TC18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預測方法。
[0005] 本發(fā)明的具體過程是：
[0006] 步驟1，斷裂韌性預測模型的推導。
[0007] 通過公式(6)推導斷裂韌性預測模型
[0008]
(6)
[0009]其中，Κκ為斷裂韌性，為合金的均勻延伸率，即拉伸試樣在頸縮前的延伸率， 和〇\分別是抗拉強度和屈服強度;E為彈性模量，L(e)是裂紋擴展路徑的真實長度，L〇(e)是 裂紋擴展路徑沿斷裂韌性試樣開口方向的投影長度，v為泊松比。
[0010] 步驟2，TC18鈦合金斷裂韌性預測及實施方法。采用公式(6)對TC18鈦合金的四種 組織形態(tài)分別進行斷裂韌性的預測，四種組織分別命名為A，B，C，D。
[0011] 要預測TC18鈦合金各組織的斷裂韌性，必須分別獲得TC18鈦合金各組織的力學性 能參數(shù)和裂紋擴展路徑曲折度L( ε) /Lo，具體流程為：
[0012] I力學性能參數(shù)的獲取。力學性能參數(shù)包括拉伸性能和斷裂韌性。拉伸性能參數(shù)有 屈服強度、斷裂強度、均勻延伸率、彈性模量以及泊松比。給定組織下切取三個拉伸性能試 樣和一個斷裂韌性試樣。
[0013] 所述拉伸性能試樣的尺寸及測試方法依據(jù)GB/T 228.1-2010進行。斷裂韌性試樣 的尺寸及測試方法則嚴格按照國標GB/T4161-2007進行。屈服強度、斷裂強度、均勻延伸率、 彈性模量各參量均為某個組織下TC18鈦合金所測拉伸結果的求和平均值。
[0014] 所述彈性模量為1 lOGPa，泊松比為0.35。
[0015] Π 裂紋擴展路徑曲折度L(e)/Lo的獲取。通過破壞后的鈦合金斷裂韌性試樣側面 金相，獲得裂紋擴展路徑，并在所述裂紋擴展路徑上隨機選取五個視場，各視場的寬度不低 于200μπι。具體是，首先需要磨制破壞后的鈦合金斷裂韌性試樣側面金相，并采用光學顯微 鏡進行拍照觀察，以獲得裂紋擴展路徑。
[0016] 對得到的各視場中的L(e)/Lo進行計算的過程:通過圖像處理軟件進行二值化、腐 蝕膨脹及開閉運算處理，得到清晰的裂紋擴展路徑。采用divider method方法統(tǒng)計視場內(nèi) 的真實裂紋長度L(e)。為了保證準確性，碼尺長度取ΙΟμπι。裂紋投影長度Lo通過視場中的比 例尺得到。計算L(〇/Lo,得到某一視場下的裂紋擴展路徑曲折度。
[0017] 按照以上所述步驟對給定組織下TC18鈦合金其余4個視場的L(〇/Lo分別進行計 算，最后對5個視場的L(〇/L〇值求和取平均值，即為給定組織下TC18鈦合金裂紋擴展路徑 曲折度。
[0018] 重復所述過程，直至獲得A，B，C，D四種組織的力學性能參數(shù)和裂紋擴展路徑曲折 度。
[0019] 步驟3，TC18鈦合金斷裂韌性預測方法有效性驗證。將步驟2中所獲得的拉伸性能 參數(shù)及裂紋擴展路徑曲折度L(e)/L〇代入公式(6)，能夠算得某一給定組織下TC18鈦合金的 斷裂韌性值。根據(jù)步驟1和2分別A，B，C，D四種組織形態(tài)下TC18鈦合金斷裂韌性。最終將四種 組織形態(tài)下TC18鈦合金斷裂韌性實測值與預測值對比。對比發(fā)現(xiàn)，公式(6)能夠很好的預測 TC18鈦合金的斷裂韌性，最大誤差不超過8%。
[0020] 本發(fā)明通過綜合考慮本征斷裂抗力和外在斷裂抗力對鈦合金斷裂韌性的影響，建 立了基于鈦合金拉伸性能和裂紋擴展路徑的斷裂韌性預測模型，并且制訂了利用該模型進 行鈦合金斷裂韌性預測的具體實施規(guī)范。本發(fā)明中，獲得鈦合金裂紋擴展路徑曲折度是對 其進行斷裂韌性預測的重要環(huán)節(jié)，附圖1所示即為斷裂韌性試樣裂紋擴展路徑示意圖。在實 施例1中，本發(fā)明詳細介紹了獲取TC18鈦合金裂紋擴展路徑曲折度的方法，附圖2和附圖3所 示即為TC18鈦合金裂紋擴展路徑的提取流程。基于本發(fā)明，TC18鈦合金斷裂韌性被成功預 測，預測誤差在8%以內(nèi)?；诒景l(fā)明，TC17鈦合金斷裂韌性被成功預測，預測誤差在8%以 內(nèi)。綜上所述，本發(fā)明可有效預測給定鈦合金的斷裂韌性。
[0021] 本發(fā)明適用于任意種類和任意組織的鈦合金。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明中裂紋擴展路徑示意圖。其中：1.裂紋擴展路徑;2.斷裂韌性試樣斷 裂面。
[0023]圖2是本發(fā)明中TC18鈦合金四種組織的裂紋擴展路徑；其中：圖2a是組織A的裂紋 擴展路徑，圖2b是組織B的裂紋擴展路徑，圖2c組織C的裂紋擴展路徑，圖2d是組織D的裂紋 擴展路徑。
[0024]圖3是本發(fā)明中TC18鈦合金四種組織清晰化處理后的裂紋擴展路徑;其中：圖3a是 組織A的裂紋擴展路徑，圖3b是組織B的裂紋擴展路徑，圖3c組織C的裂紋擴展路徑，圖3d是 組織D的裂紋擴展路徑。
[0025]圖4是本發(fā)明的流程圖。
【具體實施方式】 [0026] 實施例1:
[0027]本實施例是一種TC18鈦合金網(wǎng)籃組織斷裂韌性預測方法。本實施例的具體過程 是：
[0028]步驟1，斷裂韌性預測模型的推導。
[0029]根據(jù)線彈性斷裂力學理論，斷裂韌性由下式表示：
[0030]
(1)
[0031 ]式中Κκ為斷裂韌性，Gk為臨界應變能釋放率，E為彈性模量，v為泊松比。
[0032] 在小范圍屈服條件下，公式(1)中的臨界應變能釋放率GIC可由下式表示：
[0033] Gic = 2yeff (2)
[0034] γ 代表有效表面能，是裂紋向前擴展的阻力。
[0035] 1998年，Charkaluk等人在Engineering Fracture Mechanics上發(fā)表了名為 "Fracta 1 s and Fracture"的文章，認為臨界應變能釋放率Gk中僅考慮了有效表面能的影 響，而裂紋擴展路徑的影響卻并未考慮。根據(jù)研究，在公式(2)中納入放大系數(shù)L( e)/Lo,從